Die Vision dahinter ist ebenso pragmatisch wie ambitioniert. Statt optische Chips mit aufwendigen experimentellen Justierungen in Betrieb zu nehmen, soll die Kopplung von Glasfaser und Chip standardisiert, reproduzierbar und automatisierbar werden. Entwickelt wurde das neue Verbindungskonzept unter Leitung von Prof. Dr. Wolfram Pernice am Kirchhoff-Institut für Physik. Es könnte die Grundlage für eine schnellere und kostengünstigere Produktion photonischer integrierter Systeme bilden – und damit für Technologien, die in Rechenzentren, Kommunikationsnetzen oder zukünftigen Quantenarchitekturen eine zentrale Rolle spielen.

Photonische integrierte Schaltkreise – sogenannte Photonic Integrated Circuits (PICs) – nutzen Licht statt Elektronen zur Informationsübertragung. Sie bieten extrem hohe Bandbreiten, minimale Verzögerungszeiten und gelten zugleich als energieeffizienter als klassische elektronische Systeme. Alle optischen Komponenten, etwa Wellenleiter, sind direkt auf dem Chip integriert. Sperrige Anordnungen aus Spiegeln und Linsen werden durch kompakte Strukturen ersetzt. Ihr Innovationspotenzial reicht von Quantenkommunikation über neuromorphes Computing bis hin zu optischer Hochgeschwindigkeitskommunikation.

Doch gerade an einer entscheidenden Stelle zeigt sich die technologische Hürde: beim Ein- und Auskoppeln der Daten. Damit das Licht verlustarm auf den Chip gelangt, werden in der Regel optische Fasern eingesetzt. Diese müssen mit einer Genauigkeit von unter fünf Mikrometern in allen Raumrichtungen positioniert werden – andernfalls geht ein Großteil der Signale verloren. Bisher geschieht diese Justierung über sogenanntes aktives Alignment. Dabei werden die Glasfasern während des Betriebs präzise auf maximale Lichtübertragung ausgerichtet und anschließend fixiert. Nach Angaben der Heidelberger Forscher ist dieser Prozess jedoch langsam, kostenintensiv und schwer zu automatisieren.

Eine alternative Lösung bestand bislang darin, Mikrolinsen auf Fasern und Chips zu integrieren, um die Toleranzen bei der Ausrichtung zu vergrößern. Doch auch diese Methode hat Grenzen. Die Herstellung solcher Linsen ist aufwendig und funktioniert nur für einen schmalen Wellenlängenbereich – ein Nachteil, der die hohe Bandbreite der Photonik als zentralen Vorteil einschränkt.

Das Team aus Heidelberg setzt deshalb auf einen anderen Ansatz: ein neuartiges Verbindungskonzept, das die Kopplung zwischen Faser und Chip mechanisch standardisiert. Glasfaserkabel werden dazu in einem Glasblock präzise angeordnet und mit standardisierten Ausrichtungslöchern versehen. Das Gegenstück entsteht direkt auf der Chipoberfläche – gefertigt mittels hochpräzisem 3D-Mikrodruck. Dieses Element fungiert wie ein „Stecker“.